EMPLEO DE BIOCOMBUSTIBLES COMO FUENTE DE ENERGIA CALORIFICA EN EL PERU Deudor Malpazo, Yhon - Marcos Huatuco, Rubén – Sivipaucar Gómez, Clodoaldo - Olivera Macedo, Lorena Nykue Antonio Gamboa Alarcón - Andrés Valderrama Romero Ingeniería Mecánica de Fluidos- Facultad de Ciencias Físicas - Universidad- Nacional Mayor de San Marcos Ciudad Universitaria cuadra 27 S/N Lima 1; cedit.unmsm@hotmail.com RESUMEN La oferta de petróleo ha iniciado hace ya algunos años su curva descendente, debido a muchos factores, entre los principales, factores geopolíticos y tecnológicos, mientras la demanda sigue en crecimiento; lo que origina que el precio de los derivados del petróleo en el mercado irá incrementándose. Asimismo, están las justificadas normas medio ambientales, que cada vez exigen menores contenidos de elementos nocivos en los gases de la combustión cuando se queman los derivados del petróleo. El presente proyecto de investigación muestra la viabilidad de promoción, producción y aplicación de biodiesel en nuestro país a partir de plantas oleaginosas, que ayudará a solucionar parte del problema energético, ambiental y económico e impulsará la agricultura a través del incremento de la eficiencia de la producción, utilizando aquellas tierras agrícolas, que por razones de mercado, están asiendo abandonadas por los agricultores y además generará nuevas fuentes de trabajo. En este trabajo presentamos un estudio energético – económico del biodiesel, así como también, la elaboración de biodiesel a partir de plantas oleaginosas como la soya, (Cajamarca, Ayacucho) palma aceitera, aguaje, que se producen en algunos distritos, provincias y departamentos de nuestra amazonía como Loreto, Madre de Dios, Cajamarca, así también a partir de aguaje, palma aceitera y sacha inchi en parte de Ayacucho. Para demostrar que este producto puede reemplazar al diesel en cualquiera de sus aplicaciones hemos elaborado el biodiesel y probado su comportamiento al usarlo en diferentes mezclas con kerosene y con biodiesel solo, en el quemador de una cocina a gas de kerosene. INTRODUCCIÓN El biodiesel es un combustible de origen vegetal que puede reemplazar al combustible diesel en diversas aplicaciones, para cada aplicación existe una mezcla óptima que debe ser obtenida experimentalmente. El presente proyecto de investigación muestra la viabilidad de aplicación de los biocombustibles como una nueva alternativa a solucionar parte del problema energético ambiental y económico en el Perú; se presenta la posibilidad de uso de biocombustibles en la obtención de energía calorífica en el Perú. PLANTEAMIENTO DEL ESTUDIO Esta investigación tiene como finalidad probar la eficiencia del biocombustible como energía calorífica, quemándose o combustionándose en quemadores de cocinas a gas de kerosene, ejecutándose las etapas siguiente: Etapa 1. Elaboración del biocombustible: - a partir de aceite de soya - a partir de aceite reciclable del comedor de la Ciudad Universitaria de San Marcos - a partir de aceite de colza Etapa 2. Ensayos de las características de los biocombustibles en cocinas a gas de kerosene - Análisis de la viscosidad - Obtención del punto de inflamación - Ensayos de quemado de los biocombustibles en una cocina de kerosene. Etapa 3. Análisis del proceso de quemado de los biocombustibles y su costo - Análisis de las características de la llama - Análisis de la formación de los componentes de material partículado, hollín y CO. - Análisis del costo de quemado de bicombustible en comparación al quemado de kerosene OBJETIVOS 1- Objetivos Generales: • Oportunidad para el país para reducir la contaminación ambiental • Promover la agricultura y la agroindustria • Generas nuevas inversiones y fuentes de trabajo • Promover cultivos alternativos rentables • Nueva fuente de energía en el Perú • Fuente de energía económica y ecológica • Generar recursos en las zonas donde el frió y la humedad impida el cultivo • Incentivar el cultivo en Puno, Juliaca, Junín, Huancavelica y otros departamentos del Perú 2- Objetivos específicos: Aplicación del biodiesel en los quemadores convencionales de baja presión ubicados en cocinas, pudiendo emplearse también en quemadores industriales que poseen los calderos ubicadas en las industrias, reemplazando de esta manera los combustibles tradicionales y el gas. FUNDAMENTO TEORICO Los biocombustibles: son combustibles de origen biológico obtenidos a partir de restos orgánicos de materiales renovables como las plantas, se cree pueden sustituir a los combustibles fósiles más tradicionales, en virtud de su bajo o nulo deterioro ambiental y sus características de renovación. Entre los biocombustibles podemos incluir el bioetanol, el biodiesel, biometanol, entre otros. Los dos productos 1 más desarrollados y empleados de los biocombustibles son el bioetanol y el biodiesel. - El bioetanol, o etanol de biomasa: puede ser obtenido de maíz (EEUU), de caña de azúcar (Brasil) o remolacha (Chile) por medio de procesos de fermentación enzimáticos de sus azúcares. Dado que la composición de la celulosa es muy rica en azúcar, resultaría muy útil producir alcoholes a partir de la fermentación de celulosa, principal componente estructural de los materiales vegetales. - El biodiesel: se fabrica a partir de aceites vegetales, el método más habitual es la transformación de estos aceites vegetales a través de un proceso de combinación con alcohol metílico e hidróxido sódico, produciéndose un compuesto que se puede utilizar directamente en un quemador o en un motor diesel sin modificar, obteniéndose glicerina como subproducto. La glicerina puede utilizarse en otras industrias como la farmacéutica, de detergentes, etc. Características y Ventajas del biodiesel: - Reduce las emisiones de monóxido de carbono (CO) y material particulado en comparación con el diesel. - No produce emisión de óxidos de azufre (SO2 +SO3) porque el biodiesel no contiene azufre. - Reduce en un 90% la cantidad de hidrocarburos totales no quemados. - El Biodiesel no contiene productos orgánicos aromáticos (benceno y derivados) son sustancia cancerigenas. - El biodiesel recicla el CO2 de la atmósfera a través del proceso de fotosíntesis de la atmósfera, contribuyendo a detener el efecto invernadero que genera la combustión de combustibles fósiles. - Al tener un punto de inflamación superior al diesel, kerosene, su transporte es mas seguro. - No contamina los suelos y aguas subterráneas en caso de un derrame accidental. - Es biodegradable y en 28 días desaparece todo rastro de contaminación en caso de derrame. Factibilidad del uso: - El biodiesel puede utilizarse de todas las prestaciones y de forma idéntica que el diesel Oil, kerosene, ya sea puro (al 100%) o mezclado con éste. - Aplicando tanto a motores de combustión interna: turbinas a gas etc. Como en sistemas de combustión abierta: hornos, cocinas, calderos, secadores, otros equipos térmicos. Demanda de biodiesel (DGH-MEN): Año 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Dem. 2010 (103 bb/año) Demanda Diesel 56.2 56.7 58.5 59.6 64.9 68.2 72.7 71.7 74.4 77.2 28163 Demanda ajustada Diesel Oil 47.7 48.2 49.9 51.1 56.4 59.6 64.2 63.2 65.9 68.6 25054 5% Vol. de Biodiesel 2.38 2.41 2.50 2.55 2.82 2.98 3.21 3.16 3.30 3.43 1253 Tabla 1: Demanda de biodiesel Materia prima: Las materias primas que se pueden emplear en la obtención de biodiesel son muy variadas y pueden clasificarse en: a. Aceites vegetales: - Aceites de semillas oleaginosas: girasol, colza, soja y coco. - Aceites de frutos oleaginosos: palma. - Aceites de semillas oleaginosas alternativas: Brassica carinata, Camelina sativa, Pogianus - Aceites de semillas oleaginosas modificadas genéticamente: Aceite de girasol de alto oleico. - Aceites vegetales de final de campaña: Aceite de oliva de alta acidez. b. Aceites de fritura usados. - Grasas animales: sebo de distintas calidades. DESCRIPCIÓN DE LOS BIOCOMBUSTIBLES 1. La Colza: (Brassica napus), es una oleaginosa muy difundida en el mundo, que produce aceite comestible de excelente calidad, cuyo principal productor es la Unión Europea con 10,5 millones de toneladas. Figura 1: La colza 2. Aceite reciclado: una ventaja de recoger aceite usado y utilizarlo como combustible, es evitar que el aceite de cocina ya usado se vierta a las cañerías o se tire a la basura. Figura 2: Aceite reciclado 3. Aceite de soya: la Soya forma parte del 75% de los vegetales grasos y aceites que se consumen. El aceite vegetal es generalmente el que es realizado 100% de soya, o una combinación de aceite de soya y otros aceites 2 En Francia Mezclan 5% de aceite vegetal en el diesel directamente en los centros de producción del diesel y aunque el Figura 3: Aceite de soya - Reacción Química: R-COOCH2 CH2-OH Catalizador R-COOCH + 3CH3OH 3RCOOCH3 + CH-OH R-COOH2 CH2-OH Triglicérido Glicerina metanol metilester R= radical alquilo REACCION QUIMICA que se produce TRIGLISERIDO R-C OO CH2 METIELESTER BIODISEL METANOL CH3 OH GLICERINA consumidor no nota las ventajas del nuevo producto, ésta estrategia evita la construcción separada de infraestructura costosa y así, grandes volúmenes pueden introducirse en el mercado. Las compañías líderes son: Elf, Shell y Total. Tabla 2: Comparación con los combustibles Tabla 3. Producción de biodiesel en el mundo EXPERIENCIAS EN OTROS PAÍSES En Europa: Aunque el biodiesel es ligeramente más barato que el diesel convencional en la estación de servicio, los agricultores que cultivan la colza reciben un subsidio de la Unión Europea. El biodiesel (más específicamente el rapeseed methyl ester o RME) es considerado como una opción obvia para la diversificación del combustible del sector transporte debido a las siguientes ventajas: - El uso inmediato en cualquier motor diesel, generando un acceso rápido al mercado. - El biodiesel es totalmente compatible con los sistemas de distribución del diesel. - Ofrece un balance energético favorable. - Por su alto contenido de oxígeno, disminuye significativamente las emisiones de contaminantes a la atmósfera. - Es un producto no - tóxico y biodegradable. En Italia: Que es uno de los países con más altos impuestos en combustibles, el biodiesel está libre de impuestos como paso lógico para penetrar más fácil al mercado. En Estados Unidos Mezclan el 20% de metilester de soya con Diesel fósil, principalmente por razones de precio. La mezcla 80/20, junto con el uso de convertidores catalíticos, ha recibido recientemente certificación de la EPA para el programa de Buses Urbanos. En Alemania y Austria Dados los grandes beneficios del diesel, éste se comercializa puro, destacándose su sensibilidad ambiental protegiendo lagos, aguas subterráneas, bosques, etc. y menos contaminación, smog, etc. de taxis y buses en ciudades. En Canadá Las materias primas más utilizadas para la producción de Biodiesel son soya, colza y canola o rapeseed (una planta forrajera cuyas semillas proporcionan hasta 45% de aceite). FORMULACION DE HIPOTESIS - Realizar el estudio de las características del biodiesel en comparación con el kerosene - Estudiar el comportamiento del biodiesel y sus diferentes mezclas en quemadores de uso doméstico. - Inferir el comportamiento del proceso de combustión calderos y hornos industriales. Sustancia Densidad Kg/l Componentes Principales % en peso Temperatura ebullición °C Calor especif. Evapora c Kj/kg1) Potencia Calorífic a Espec MJ/Kg1) Querosene Combustib le Diesel Petróleo 0,77…..0,83 0,815…0,85 5 0,70…1.0 87 C, 13H 86C, 13H 170….260 180….360 250 43 42,5 80…83C 25…360 222..352 Etanol C2H5OH Metanol 0,79 52C,13H,35O 78 904 39,8…46, 1 26,8 0,79 38C,12H,50O 65 1110 3 19,7 ANALISIS DE RESULTADOS 1. LONGITUD DE LA LLAMA EN QUEMADORES DOMÉSTICOS TRABAJANDO CON MECLAS DE DIESEL2 Y BIODIESEL 1.1. Longitud de la flama de las mezclas de diesel 2 con aceite de soya Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de 8 PSI hasta 32 PSI, la longitud de la flama se incrementa; asimismo, se incrementa la longitud de la flama cuando se incrementa el porcentaje en volumen de soya en la mezcla. L(cm) DIESEL 2 + SOYA 7 6 5 4 3 2 1 0 D2 + 0% 32 PSI 24 PSI 16 PSI 8 PSI D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 40% D2 + 50% % BIODIESEL Fig. 1. Variación de la longitud del dardo pulverizado en función del porcentaje de soya en la mezcla Se debe señalar que la longitud límite de la longitud de la flama dependerá de la distancia de diseño entre la flama y la base de la parrilla de la cocina, en este caso es de 5,0 cm. Y cuando excede de esta longitud la flama produce calentamiento del tanque que almacena la mezcla y rebota en la base de la superficie que recibe la energía calorífica producida. La flama al aumentar la concentración se torna más amarilla y aumenta la concentración de hollín y de obstrucción de grasas quemadas en el agujero del pulverizador. 1.2. Longitud de la flama de las mezclas de diesel 2 con aceite de girasol Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de 8 PSI hasta 32 PSI, la longitud de la flama se incrementa; asimismo, se incrementa la longitud de la flama cuando se incrementa el porcentaje en volumen de girasol en la mezcla. L (cm) DIESEL 2 + GIRASOL 8 7 6 5 4 3 2 1 0 D2 + 0% D2 + 5% 32 PSI 24 PSI 16 PSI 8 PSI D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 40% D2 + 50% % BIODIESEL Fig. 2. Variación de la longitud del dardo pulverizado en función de la mezcla de diesel 2 con aceite de girasol. 4 Se debe señalar que la longitud límite de la longitud de la flama dependerá de la distancia de diseño entre la flama y la base de la parrilla de la cocina, en este caso es de 5,0 cm. Y cuando se excede de esta longitud la flama produce calentamiento del tanque que almacena la mezcla y rebota en la base de la superficie que recibe la energía calorífica produciendo el incremento de la presión de la mezcla en el tanque, cambia el color de la flama de azulada naranja a amarilla, se incrementa la intensidad térmica por unidad de área. 1. TIEMPO EMPLEADO PARA HERVIR 1 LITRO DE AGUA CON LOS QUEMADORES DOMÉSTICOS CON MEZCLAS DE DIESEL 2 Y BIODIESEL 2.1. Tiempo para hervir 1 litro de agua con mezclas de diesel 2 con aceite de soya Se aprecia que conforme se incrementa la presión de pulverización de la mezcla disminuye el tiempo para hervir 1 litro de agua; esto se debe a que la flama incrementa su longitud, incrementa la intensidad térmica sobre la superficie de aprovechamiento de calor. Asimismo se observa tres zonas: DIESEL 2 + SOYA 10:48 09:36 t(min) 08:24 07:12 32 PSI 06:00 24 PSI 04:48 16 PSI 03:36 8 PSI 02:24 01:12 00:00 D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 40% D2 + 50% % BIODIESEL Fig. 3. Variación del tiempo que demora para hervir 1 litro de agua con las mezclas de diesel 2 y aceite de soya. Zona 1.- El tiempo para hervir cuando el porcentaje es menor del 10% de soya en volumen se incrementa lentamente, esto se debe a que los componentes oleicos originan una tensión superficial que empeora la formación de la mezcla. Zona 2.- El tiempo disminuye lentamente cuando el porcentaje es de 20% de soya en volumen en la mezcla, siendo la formación de la mezcla y la flama óptima Zona 3.- El tiempo se incrementa cuando se incrementa el porcentaje sobre el 20% de soya, es decir, el 30%, 40% y 50%; viéndose que se incrementa notoriamente la longitud de la flama, trasladando parte del calor de esta hacia el tanque que contienen la mezcla, haciendo que lentamente se incremente la presión en su interior. 2.2.. Tiempo para hervir 1 litro de agua con mezclas de diesel 2 con aceite de girasol Se aprecia que la formación de la flama se organiza de mejor manera lográndose que el tiempo se incremente al disminuir la presión de pulverización de la mezcla; asimismo, si se incrementa el porcentaje en volumen de aceite de girasol en volumen en la mezcla, el tiempo para hervir 1 litro de agua disminuye, siendo el factor limitante la longitud del dardo de mezcla pulverizada, que debe ser controlada. 5 DIESEL 2 + GIRASOL 14:24 t(min) 12:00 32 PSI 09:36 24 PSI 07:12 16 PSI 04:48 8 PSI 02:24 00:00 D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 40% D2 + 50% % BIODIESEL Fig. 4. Variación del tiempo para hervir 1 litro de agua en función del porcentaje de aceite de girasol en la mezcla. CONCLUSIONES 1.- De acuerdo a la formación de la mezcla, forma de la flama, longitud de la flama y tiempo que demora para hervir 1 litro de agua el porcentaje óptimo de aceite de soya en mezcla con el petróleo diesel 2 es de 20% en volumen. 2.- De acuerdo a los resultados obtenidos se demuestra que la presión óptima que debe mantenerse en el tanque de mezcal para ambas mezclas es de 24 PSI. 3.- La longitud del dardo para 24 PSI para la mezcla de diesel 2 con 20% de aceite de soya es de cm. y la longitud del dardo para 24 PSI para la mezcla de diesel 2 con 20% de aceite de girasol es de cm. 4.- Emplear una excesiva presión de pulverización en ambas mezclas por encima de 24 PSI, produce la aparición de hollín y residuos grasoso quemados en el agujero de la salida del pulverizador. RECOMENDACIONES 1. Se debe encontrar los parámetros de diseño para la fabricación de una cocina que emplee mezclas de petróleo diesel 2 con aceite de soya y aceite de girasol. 2. Toda cocina con quemador que trabaje con presiones superiores a 1 bar (14,7 PSI), debe emplear manómetro instalado en el tanque de mezcla. BIBLIOGRAFIA 4. Perry, Jhon; “Manual de Ingeniero Químico”, editorial Mc Graw Hill, México 1992 5. http://www.inversiones.gov.ar/ 6.|www.bcr.com.ar 7.www.ecopetrol.gov.co 8.CORPODIB. Proyecto para la producción de biodiesel a partir de palma africana en Colombia 9.www.itdg.org.pe 10.http://www.minag.gob.pe ministerio de agricultura 11.www.concytec.gob.pe 12.www.conam.gob.pe/documentos N_biocombustible 13.Publicación: Revista Institucional de la agencia Agraria Leoncio Prado/Tingo María/Huánuco: La Palma Aceitera como Alternativa Económica para la Amazonía. 15/12/1999. Perfiles entregados a DEVIDA, Ministro de Agricultura. Julio del 2002 y Comisión Binacional Perú – Ecuador por IGEPMA. ANEXO: SOYA Analisis de resultados de P=32 PSI D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 50% T hervir un litro de agua 2 3 525 930 890 744 810 785 730 977 970 981 880 928 830 1020 1010 1041 950 1070 4,40 4,70 5,00 5,20 6,50 7,50 4:00 4:25 4:50 5:15 4:35 4:34 T hervir un litro de agua 5:08 5:16 5:40 5:48 Analisis de resultados de P=24 PSI 1.-Van Wylen, G. & Soontag, R.; “Fundamentos de Termodinámica”; editorial Limusa, México 1990. 2. Postigo, J; Cruz, J; “Termodinámica Aplicada”; editorial UNI , Lima1985. 3.Marks; “Manual del Ingeniero Mecánico”, editorial Mc Graw Hill, México 1988 1 L Flama cm T Flama T Flama D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% 1 2 3 L Flama cm 650 880 870 770 950 921 970 880 950 1010 1012 1000 3,50 4,10 3,80 4,30 6 D2 + 30% 660 870 895 D2 + 50% 740 860 970 Analisis de resultados de P=16 PSI 3,90 4,90 6:35 6:55 T hervir un litro de agua Analisis de resultados de P=8PSI 1 2 3 L Flama cm 452 890 690 770 650 610 690 980 920 840 845 840 880 1050 985 860 885 950 2,40 2,90 3,50 3,30 2,45 4,00 6:05 6:20 7:13 7:37 7:40 7:30 T hervir un litro de agua 7:13 7:40 9:08 9:12 9:57 9:42 T Flama D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 50% 1 2 3 L Flama cm 525 630 740 720 613 490 750 840 880 810 830 780 830 950 960 930 868 868 4,40 2,75 3,50 3,30 2,45 4,00 T Flama D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 50% T hervir un litro de agua 4:00 11:40 8:56 7:25 7:55 9:00 Analisis de resultados de P=8PSI T Flama D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 50% 1 2 3 L Flama cm 350 380 620 717 623 520 730 450 828 813 830 837 846 490 963 877 880 897 2,00 2,20 3,50 3,00 1,90 3,20 GIRASOL Análisis de resultados de P =32 PSI T Flama D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 50% 1 2 3 L Flama cm 525 850 850 845 650 7840 750 960 928 955 940 880 830 1040 1028 1028 975 933 4,40 5,25 5,30 5,50 5,95 4,95 T hervir un litro de agua 4:00 4:55 5:06 4:57 5:15 5:36 Análisis de resultados de P=24 PSI T Flama D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 50% 1 2 3 L Flama cm T hervir un litro de agua 525 760 810 870 675 670 750 886 940 975 830 870 830 997 990 1000 960 900 4,40 4,30 4,60 5,20 5,20 3,90 4:00 6:14 5:36 6:16 6:50 7:25 Analisis de resultados de P=16 PSI T Flama D2 + 0% D2 + 5% D2 + 10% D2 + 20% D2 + 30% D2 + 50% 1 2 3 L Flama cm T hervir un litro de agua 525 670 690 770 650 610 750 870 920 840 845 840 830 940 985 860 885 950 4,40 3,85 4,30 4,60 4,95 3,40 4:00 7:24 6:50 6:35 6:35 8:30 7